Para a maioria das pessoas, o gotejamento, pingar, gotejamento de uma torneira vazando seria um aborrecimento. Mas para o Instituto de Tecnologia da Geórgia, Ph.D. candidato Alexandros Fragkopoulos, o que acontece dentro das gotículas é matéria de ciência séria.

No laboratório de Alberto Fernandez-Nieves na Escola de Física da Georgia Tech, Fragkopoulos está estudando como gotículas toroidais - que inicialmente assumem a forma de um donut - evoluem para gotículas esféricas colapsando em si mesmas ou se quebrando em gotículas menores.

O trabalho com gotículas tem implicações para as ciências da vida, onde materiais biológicos, incluindo células, sofrem mudanças de forma que lembram o comportamento das gotículas. E as descobertas podem melhorar os processos industriais que variam de injetores de combustível a processos químicos que dependem da formação de gotas. No trabalho, pesquisadores do laboratório Fernandez-Nieves desenvolveram uma nova compreensão dos processos que controlam a evolução da instabilidade, gotas em forma de donut, ajudando-os a esclarecer a complexa interação de forças relevantes para o problema.

"A tensão superficial impulsiona a evolução das gotas, "disse Fragkopoulos." Os fluidos tendem a minimizar sua área de superfície para um determinado volume porque isso minimiza a energia necessária para ter uma interface entre os diferentes fluidos. Formas esféricas minimizam essa energia, e como resultado, gotículas toroidais querem evoluir para se tornarem esféricas. Estamos estudando como essa transição ocorre. "

Usando uma folha de luz laser para observar a dispersão de partículas de poliestireno colocadas em gotículas formadas dentro do óleo de silicone espesso, os pesquisadores observaram em detalhes como as gotas mudam de forma - e quais fatores as colocam no caminho para colapsar ou se separar. A pesquisa, que foi apoiado pela National Science Foundation, foi relatado em 1º de março no jornal Proceedings of the National Academy of Sciences .

"A força viscosa à medida que o toro entra em colapso exerce pressão sobre a interface, o que faz com que tenha uma circulação dentro do toro e deforme sua superfície, "disse Fragkopoulos." Precisamos levar em consideração esses estresses para entender completamente a evolução das gotas. "

O ímpeto para o trabalho experimental foi inconsistências entre as previsões teóricas e simulação de computador de transições de gotículas toroidais. O que os pesquisadores da Georgia Tech descobriram tende a apoiar os resultados da simulação. "Contudo, o trabalho teórico anterior foi essencial para orientar os esforços da teoria e ilustrar qual era o problema, a fim de descrever corretamente os resultados experimentais, "disse Fernandez-Nieves.

"Parâmetros como a relação de aspecto - a dimensão geral do toro dividida pelas dimensões do tubo - determinam se a gota toroidal pode se quebrar, ou se ele simplesmente desmoronar em si mesmo, "disse Fragkopoulos." Descobrimos que a gota toroidal se deforma muito a partir do formato de rosca à medida que entra em colapso. Ele se achata à medida que se desenvolve, o que foi inicialmente inesperado. Esperávamos que o toro fosse simétrico e bem circular, que não é o que encontramos. "

O rompimento ou colapso de gotas de chuva comuns envolve a formação de uma borda semelhante a uma rosquinha. Contudo, o processo é bastante descontrolado e ocorre rapidamente, tão rapidamente que apenas câmeras de alta velocidade podiam ver. Para permitir o estudo detalhado da transição e geração de imagens do campo de fluxo dentro das gotas, Fragkopoulos desacelerou drasticamente a evolução ao criar gotículas dentro de um tipo de óleo de silicone seis vezes mais viscoso que o mel. Em vez de água comum, ele usou água destilada na qual o polietilenoglicol foi misturado para diminuir ainda mais a dinâmica.

A água é introduzida em um banho rotativo de óleo de silicone usando uma pequena agulha injetora. Ao controlar a taxa de bombeamento e onde a agulha insere a água, os pesquisadores podem controlar os parâmetros geométricos das gotículas toroidais, especificamente a espessura do anel e o tamanho relativo do orifício dentro dele. As gotas que eles estudam variam em tamanho até cerca de um centímetro de diâmetro. "Esta estratégia simples permite um controle requintado, "disse Fernandez-Nieves.

Grânulos de poliestireno na água permitem que os pesquisadores usem a velocimetria de imagem de partículas (PIV) para ver os campos de fluxo dentro das gotículas, mostrando como a seção transversal se desvia da circular ao longo do tempo.

"Estamos usando a diferença de viscosidade para gerar o toro, "Fragkopoulos explicou." Estamos usando forças viscosas para gerar as gotas, porque é importante desacelerar a dinâmica do colapso do toro para que possamos ter tempo e resolução suficientes para ver os campos de fluxo se desenvolvendo dentro dele. "

A pesquisa sobre a formação de gotículas tende a ser focada em aplicações. Agora Fragkopoulos e Fernandez-Nieves estão usando seu trabalho experimental e teórico para resolver outros problemas científicos.

"Agora estamos usando os métodos de criação de objetos toroidais feitos de diferentes materiais para estudar problemas em matéria condensada e bioengenharia, "disse Fernandez-Nieves." Começamos a trabalhar em gotas toroidais com a ideia de estudar como a topologia e a geometria afetavam como os materiais ordenados são afetados por esses aspectos, e, posteriormente, para abordar como a curvatura afeta o comportamento da célula. Queríamos fazer geometrias não triviais para que pudéssemos estudar como isso afeta o comportamento, "acrescentou Fragkopoulos.

A próxima etapa do trabalho é estudar gotículas eletricamente carregadas, que são amplamente utilizados industrialmente. As cargas elétricas adicionam uma nova ruga aos campos de fluxo e mudam a forma como as gotículas toroidais se transformam. Além dos já mencionados, a pesquisa incluiu ex-alunos de graduação e pós-graduação no laboratório Fernandez-Nieves, Ekapop Pairam e Eric Berger, e Prof. Phil Segre no Oxford College, Geórgia.